CN111487003A - 一种数字型六维高精度力变送器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字型六维高精度力变送器，包括电源输入模块、电源管理模块、传感器供电模块、六维力传感器、模数转换器、中央处理器、显示屏以及数据接口模块，所述电源输入模块与电源管理模块电连接，电源管理模块的输出端分别与传感器供电模块、模数转换器、中央处理器、显示屏以及数据接口模块的供电端连接，传感器供电模块的输出端与六维力传感器的供电端连接，六维力传感器的信号输出端与模数转换器的信号输入端连接，模数转换器的信号输出端与中央处理器的信号输入端连接。本发明设计布置合理，可以根据内部环境温度，进行信号补偿，实现高精度、高灵敏度的信号输出，信号传送处理速度快。
Description
技术领域
本发明涉及变送器技术领域，具体为一种数字型六维高精度力变送器。
背景技术
传感器变送器常用于在过程工业中帮助控制温度、压力和流量等参数。例如，我们可以在食品饮料、制药和环境控制过程中看到温度变送器(TT)。在化学工业中，温度变送器用于确保化学反应器中的溶液保持在某个恒定温度。
多维力传感器指的是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的力传感器，在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量，因此，多维力最完整的形式是六维力/力矩传感器，即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器，目前广泛使用的多维力传感器就是这种传感器。
在六维力传感器检测过程中，往往会因内部的电子器件发热导致内部温度升高，从而严重降低了传感器的检测精度，如何提供一种高精度、高灵敏度的六维高精度力变送器，成为本申请需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数字型六维高精度力变送器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种数字型六维高精度力变送器，包括电源输入模块、电源管理模块、传感器供电模块、六维力传感器、模数转换器、中央处理器、显示屏以及数据接口模块，所述电源输入模块与电源管理模块电连接，电源管理模块的输出端分别与传感器供电模块、模数转换器、中央处理器、显示屏以及数据接口模块的供电端连接，传感器供电模块的输出端与六维力传感器的供电端连接，六维力传感器的信号输出端与模数转换器的信号输入端连接，模数转换器的信号输出端与中央处理器的信号输入端连接，中央处理器的信号输出端分别连接有显示屏和数据接口模块。
优选的，所述电源输入模块的输入端的电压范围为DC7～12V。
优选的，所述数据接口模块采用RS485模块。
优选的，所述模数转换器的数据转化效率高达200kSPS，分辨率高达20位。
优选的，所述中央处理器的处理速率高达32MHz。
优选的，所述中央处理器还连接有通信参数存储器和传感器参数存储器，通信参数存储器和传感器参数存储器均采用FRAM存储器。
优选的，所述模数转换器包括差分信号前置放大模块、温度补偿模块、低通滤波模块以及差分信号输出模块，差分信号前置放大模块的信号输入端与六维力传感器的信号输出端连接，差分信号前置放大模块的信号输出端与温度补偿模块的信号输入端连接，温度补偿模块的信号输出端与低通滤波模块的信号输入端连接，低通滤波模块的信号输出端与差分信号输出模块的信号输入端连接，差分信号输出模块的信号输出端与中央处理器的信号输入端连接。
优选的，所述温度补偿模块包括反相放大电路和温度补偿电阻，反相放大电路中采用的运算放大器为AD8661，温度补偿电阻采用NTC热敏电阻。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过六维力传感器对力进行检测，当检测到力的变化后，六维力传感器输出的电压信号也会产生相应的变化，并将信号传导给模数转换器，通过模数转化器转化成数字信号并发送给中央处理器，得到每个维度，每个方向力的数字数据，通过中央处理器的数据计算处理，最终输出相应的数据；六个维度的力数据，会根据力的方向和大小，形成组合的力，进行快速和高效的进行输出；。本发明设计布置合理，可以根据内部环境温度，进行信号补偿，实现高精度、高灵敏度的信号输出，信号传送处理速度快。
附图说明
图1为本发明实施例1的电气原理框图；
图2为本发明实施例2的电气原理框图；
图3为本发明实施例3中模数转换器的电气原理框图；
图4为本发明实施例3中温度补偿模块的电路图。
图中：1-电源输入模块，2-电源管理模块，3-传感器供电模块，4-六维力传感器，5-模数转换器，6-中央处理器，7-显示屏，8-数据接口模块，9-传感器参数存储器，10-通信参数存储器，51-差分信号前置放大模块，52-温度补偿模块，53-低通滤波模块，54-差分信号输出模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～4。
实施例1：一种数字型六维高精度力变送器，包括电源输入模块1、电源管理模块2、传感器供电模块3、六维力传感器4、模数转换器5、中央处理器6、显示屏7以及数据接口模块8，所述电源输入模块1与电源管理模块2电连接，电源管理模块2的输出端分别与传感器供电模块3、模数转换器5、中央处理器6、显示屏7以及数据接口模块8的供电端连接，传感器供电模块3的输出端与六维力传感器4的供电端连接，六维力传感器4的信号输出端与模数转换器5的信号输入端连接，模数转换器5的信号输出端与中央处理器6的信号输入端连接，中央处理器6的信号输出端分别连接有显示屏7和数据接口模块8。
其中，所述电源输入模块1的输入端的电压范围为DC7～12V。所述数据接口模块8采用RS485模块。所述模数转换器5的数据转化效率高达200kSPS，分辨率高达20位。所述中央处理器6的处理速率高达32MHz。
实施例2：一种数字型六维高精度力变送器，与实施例1的区别在于，所述中央处理器6还连接有通信参数存储器10和传感器参数存储器9，通信参数存储器10和传感器参数存储器9均采用RAM存储器。通信参数存储器10用于存储各项通信参数，传感器参数存储器9用于存储六维力传感器4检测到的各项参数数据，有利于后期更新维护，方便历史数据的查询。
实施例3：一种数字型六维高精度力变送器，与实施例1的区别在于，所述模数转换器5包括差分信号前置放大模块51、温度补偿模块52、低通滤波模块53以及差分信号输出模块54，差分信号前置放大模块51的信号输入端与六维力传感器4的信号输出端连接，差分信号前置放大模块5的信号输出端与温度补偿模块52的信号输入端连接，温度补偿模块52的信号输出端与低通滤波模块53的信号输入端连接，低通滤波模块53的信号输出端与差分信号输出模块54的信号输入端连接，差分信号输出模块54的信号输出端与中央处理器6的信号输入端连接。
所述温度补偿模块52包括反相放大电路和温度补偿电阻，反相放大电路中采用的运算放大器为AD8661，温度补偿电阻采用NTC热敏电阻。低通滤波模块53可采用现有技术中的RC一阶低通滤波器，时间常数为10ms，截止频率为100Hz。如图4所示，2脚和3脚为运算放大器的两个差分输入端，与差分信号前置放大模块51的输出端相连，R3、NTC热敏电阻R4、R5与运算放大器组成温度补偿模块52，其放大倍数由固定电阻R3、R5以及NTC热敏电阻R4共同决定。内部环境温度越高，放大倍数越大，从而有效修正六维力传感器4输出信号受环境温度影响而产生的检测误差，保证六维力传感器4在不同温度环境中工作时检测数据的准确性。
本发明的工作原理是：通过六维力传感器4对力进行检测，当检测到力的变化后，六维力传感器4输出的电压信号也会产生相应的变化，并将信号传导给模数转换器5，通过模数转化器5转化成数字信号并发送给中央处理器6，得到每个维度，每个方向力的数字数据，通过中央处理器6的数据计算处理，最终输出相应的数据；六个维度的力数据，会根据力的方向和大小，形成组合的力，进行快速和高效的进行输出。
数据传输方面，通讯协议为特定的协议，在MODBUS协议上进行优化整理。专用于高速数据传输。协议内带有校验，杜绝了数据传输错误的情况。数据自动向外传输。接收端只需要接收数据，解析数据即可。数据输出的时间间隔，可以进行设置。
六维力传感器采用宽电压DC7～12V输入，宽电压可能使用在各种不同的应用环境。整体工作电流在10mA内，内部采用多路快速的20位的模数转换器5。数据接口模块8采用RS485标准电气接口，有效的数据传输距离高达1千米，RS485标准电气接口，更好的减少外部干扰，提高数据传输，以及整个产品的稳定性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (8)
1.一种数字型六维高精度力变送器，其特征在于：包括电源输入模块(1)、电源管理模块(2)、传感器供电模块(3)、六维力传感器(4)、模数转换器(5)、中央处理器(6)、显示屏(7)以及数据接口模块(8)，所述电源输入模块(1)与电源管理模块(2)电连接，电源管理模块(2)的输出端分别与传感器供电模块(3)、模数转换器(5)、中央处理器(6)、显示屏(7)以及数据接口模块(8)的供电端连接，传感器供电模块(3)的输出端与六维力传感器(4)的供电端连接，六维力传感器(4)的信号输出端与模数转换器(5)的信号输入端连接，模数转换器(5)的信号输出端与中央处理器(6)的信号输入端连接，中央处理器(6)的信号输出端分别连接有显示屏(7)和数据接口模块(8)。
2.根据权利要求1所述的一种数字型六维高精度力变送器，其特征在于：所述电源输入模块(1)的输入端的电压范围为DC7～12V。
3.根据权利要求1所述的一种数字型六维高精度力变送器，其特征在于：所述数据接口模块(8)采用RS485模块。
4.根据权利要求1所述的一种数字型六维高精度力变送器，其特征在于：所述模数转换器(5)的数据转化效率高达200kSPS，分辨率高达20位。
5.根据权利要求1所述的一种数字型六维高精度力变送器，其特征在于：所述中央处理器(6)的处理速率高达32MHz。
6.根据权利要求1所述的一种数字型六维高精度力变送器，其特征在于：所述中央处理器(6)还连接有通信参数存储器(10)和传感器参数存储器(9)，通信参数存储器(10)和传感器参数存储器(9)均采用FRAM存储器。
7.根据权利要求1所述的一种数字型六维高精度力变送器，其特征在于：所述模数转换器(5)包括差分信号前置放大模块(51)、温度补偿模块(52)、低通滤波模块(53)以及差分信号输出模块(54)，差分信号前置放大模块(51)的信号输入端与六维力传感器(4)的信号输出端连接，差分信号前置放大模块(5)的信号输出端与温度补偿模块(52)的信号输入端连接，温度补偿模块(52)的信号输出端与低通滤波模块(53)的信号输入端连接，低通滤波模块(53)的信号输出端与差分信号输出模块(54)的信号输入端连接，差分信号输出模块(54)的信号输出端与中央处理器(6)的信号输入端连接。
8.根据权利要求7所述的一种数字型六维高精度力变送器，其特征在于：所述温度补偿模块(52)包括反相放大电路和温度补偿电阻，反相放大电路中采用的运算放大器为AD8661，温度补偿电阻采用NTC热敏电阻。
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